[논문]장거리 사물인터넷을 위한 케리어 센싱 기술

이일구

doi:10.15207/jkcs.2018.9.8.033

장거리 사물인터넷을 위한 케리어 센싱 기술
Carrier Sensing Techniques for Long Range Internet of Things 원문보기

한국융합학회논문지 = Journal of the Korea Convergence Society, v.9 no.8, 2018년, pp.33 - 39

초록
AI-Helper

사물인터넷 시대에는 사물들이 유무선 네트워크로 서로 연결되어 필요할 때마다 정보를 주고 받는다. 채널과 네트워크 환경은 시간에 따라 변하고 잡음과 간섭 신호가 채널에 혼재하므로 자신이 수신해야 하는 신호가 언제 채널에 존재하는지 판단하는 케리어 센싱 기능이 매우 중요하다. 무선 통신 시스템의 케리어 센싱 회로는 수신기의 수신감도를 결정짓고, 수신감도는 시스템의 서비스 커버리지와 서비스 품질과 밀접한 연관이 있다. 수신감도가 낮을수록 서비스 커버리지가 증가하지만 노이즈에 민감해지고, 수신감도가 높을수록 서비스 커버리지는 감소하는 반면에 노이즈에 둔감해 진다. 그러므로 수신감도와 노이즈 민감도 관점에서 최적의 케리어 센싱 설계와 최적화가 매우 중요하다. 본 논문에서는 장거리 사물인터넷을 위해 수신감도의 최적화 관점에서 효과적인 케리어 센싱 기법을 제안한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the Internet of Things (IoT) era, objects are connected to each other by wired and wireless networks, and information is exchanged whenever necessary. Channel and network environments change over time; thus, a carrier sensing function that identifies whether signals containing information are present in the channel is essential. The carrier sensing circuit of a wireless communication system determines the receiver sensitivity, and the receiver sensitivity is closely related to the service coverage and service quality of the system. As the receiver sensitivity decreases, the service coverage increases but it becomes sensitive to noise. However, as the receiver sensitivity increases, the service coverage decreases but it becomes insensitive to the noise. Therefore, carrier sensing design and optimization are very important from the viewpoint of the receiver sensitivity and noise sensitivity. This paper proposes an effective carrier sensing technique from the viewpoint of the receiver sensitivity for the long range IoT.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

장거리 사물인터넷 기술의 활용 분야가 전 산업 분야와 우리의 일상 생활로 확대되고 있다[18, 19]. 본 논문에서는 장거리 사물 인터넷을 위한 효과적인 케리어 센싱 기법을 제시하고 실험을 통해 그 유효성을 입증했다. 본 연구 논문에서 제안한 케리어 센싱 기법은 장거리 사물 인터넷에 적합하도록 광범위한 수신 신호 동작 범위를 보장하기 위해 교차 상관 기반의 케리어 센싱, 자기 상관기반의 케리어 센싱, 에너지 기반의 케리어 센싱, 포화 상태 기반의 케리어 센싱 기법을 동시에 활용하는 케리어 센싱 구조를 제안했다.

제안 방법

11a 시스템을 FPGA (Field Programmable Gate Array)에서 구현한 후 와이파이 인증을 받은 하드웨어와 소프트웨어를 기반으로 수행했다. 1024 byte 길이의 패킷 10,000 개를 로데슈바르츠 무선랜 신호 생성 장치로 생성하고, 수신기의 에너지 레벨을 5dB 간격으로 변경하며 패킷 에러율 (PER, Packet Error Rate) 을 측정했다. 이 때, 케리어 센싱 기법 각각의 수신 감도와 안정성, 그리고 동작 범위를 측정하기 위해 FPGA 에 프로그래머블 레지스터로 구현된 각각의 비활성화 기능을 활용해서 하나의 케리어 센싱 회로만 동작 하도록 했다.
두 변수는 서로 독립적인 관계에서 상관성이 있을 수 있으며, 두 변수의 상관 강도를 상관성이라고 한다. 교차 상관성 기반의 케리어 센싱은 표준으로 정해진 짧은 훈련 신호 (STF, short training field)와 입력 신호의 상관성을 이용해 신호를 검출하고, 자기 상관성 기반의 케리어 센싱은 짧은 훈련 신호의 주기성을 이용해 반복되는 시퀀스의 상관성을 이용해 신호를 검출한다. 상관성 기반의 케리어 센싱은 입력되는 신호의 주기성을 이용하므로 에너지 기반의 케리어 센싱 보다 더 정확한 신호 검출이 가능하다.
본 연구 논문에서 제안한 케리어 센싱 기법은 장거리 사물 인터넷에 적합하도록 광범위한 수신 신호 동작 범위를 보장하기 위해 교차 상관 기반의 케리어 센싱, 자기 상관기반의 케리어 센싱, 에너지 기반의 케리어 센싱, 포화 상태 기반의 케리어 센싱 기법을 동시에 활용하는 케리어 센싱 구조를 제안했다. 또한, 1차 상관성 기반의 케리어 센싱 후 2차 케리어 센싱을 수행할 때 에너지 기반의 케리어 센싱을 수행함으로써 보다 빠르고 정확한 케리어 센싱이 가능하도록 설계했다. 실험 결과에 따르면 표준 대비 13 dB 이상 수신 감도가 향상되고, 최대 에너지 레벨도 7 dB 이상 향상되어, 표준 요구 사항 대비 20 dB 이상 수신기 동작 범위가 향상됨을 알 수 있었다.
본 실험은 802.11a 시스템을 FPGA (Field Programmable Gate Array)에서 구현한 후 와이파이 인증을 받은 하드웨어와 소프트웨어를 기반으로 수행했다. 1024 byte 길이의 패킷 10,000 개를 로데슈바르츠 무선랜 신호 생성 장치로 생성하고, 수신기의 에너지 레벨을 5dB 간격으로 변경하며 패킷 에러율 (PER, Packet Error Rate) 을 측정했다.
본 논문에서는 장거리 사물 인터넷을 위한 효과적인 케리어 센싱 기법을 제시하고 실험을 통해 그 유효성을 입증했다. 본 연구 논문에서 제안한 케리어 센싱 기법은 장거리 사물 인터넷에 적합하도록 광범위한 수신 신호 동작 범위를 보장하기 위해 교차 상관 기반의 케리어 센싱, 자기 상관기반의 케리어 센싱, 에너지 기반의 케리어 센싱, 포화 상태 기반의 케리어 센싱 기법을 동시에 활용하는 케리어 센싱 구조를 제안했다. 또한, 1차 상관성 기반의 케리어 센싱 후 2차 케리어 센싱을 수행할 때 에너지 기반의 케리어 센싱을 수행함으로써 보다 빠르고 정확한 케리어 센싱이 가능하도록 설계했다.
쉬프트 레지스터에는 절대값 IQ가 임계치 값보다 큰 경우, ‘1’, 작은 경우 ‘0’의 값이 저장된다. 쉬프트 레지스터는 16 비트 크기를 가지며, 쉬프트 레지스터의 각 비트를 더한 결과와 설정된 임계치 값과 비교해 측정 결과가 큰 경우, 포화 상태 케리어 센싱 플래그가 활성화되는 방식으로 동작하도록 설계되었다.
1024 byte 길이의 패킷 10,000 개를 로데슈바르츠 무선랜 신호 생성 장치로 생성하고, 수신기의 에너지 레벨을 5dB 간격으로 변경하며 패킷 에러율 (PER, Packet Error Rate) 을 측정했다. 이 때, 케리어 센싱 기법 각각의 수신 감도와 안정성, 그리고 동작 범위를 측정하기 위해 FPGA 에 프로그래머블 레지스터로 구현된 각각의 비활성화 기능을 활용해서 하나의 케리어 센싱 회로만 동작 하도록 했다.
제안하는 케리어 센싱 회로는 아나로그 디지털 변환기 (ADC, Analog-to-Digital Converter) 회로의 범위를 넘는 신호를 검출하기 위한 포화 상태 기반의 케리어 센싱, 적정한 크기의 입력 신호를 검출하기 위한 수신 신호 세기 지표 (RSSI, Received Signal Strength Indicator)를 이용한 에너지 기반의 케리어 센싱, 그리고 낮은 레벨의 입력 신호를 검출하기 위해 입력 신호의 상관성을 이용한 상관성 기반의 케리어 센싱 알고리즘을 포함하고, 이 세 가지 알고리즘 중 어느 하나에 의해 신호가 센싱되면 이로 인해 수신기가 입력 신호를 처리하기 시작한다.

이론/모형

자기 상관성 기반의 케리어 센싱은 짧은 훈련 신호(STF, Short Training Field)의 주기성을 이용한 케리어 센싱 알고리즘을 적용하였다. 802.

성능/효과

표에서 보는 바와 같이 제안하는 케리어 센싱 방법에 의하면 표준대비 13 dB 이상 수신 감도가 향상되고, 최대 에너지 레벨도 7 dB 이상 향상되어, 표준 요구 사항 대비 20 dB 이상 수신기 동작 범위가 향상되는 것을 알 수 있다. 또한, 다중 케리어 센싱이 무선 네트워크 상황에 맞춰 활성화 및 비활성화되어 안정적인 서비스 품질 보장이 가능하다.
실험 결과에 따르면 그림 2와 같이 교차 상관성 기반의 케리어 센싱, 자기 상관성 기반의 케리어 센싱, 에너지 기반의 케리어 센싱, 포화 상태 기반의 케리어 센싱 순으로 수신감도가 낮았고, 모두 안정적인 동작 범위를 보장 했고, 최대 수신 신호 레벨은 포화 상태 기반의 케리어 센싱, 에너지 기반의 케리어 센싱, 자기 상관성 기반의 케리어 센싱, 교차 상관성 기반의 케리어 센싱 순으로 높았다. 장거리 통신 시스템의 경우 노이즈와 잡음에 민감할 수 있어서 상관성 없이 에너지 기반의 케리어센싱을 다중화하는 연구도 있었지만[17], 본 연구에서 실험한 결과와 같이 에너지 기반의 케리어 센싱에 의존하는 알고리즘은 상관성 기반의 케리어 센싱 방식보다 수신할 수 있는 신호 레벨이 높아서 장거리 통신 시스템에 적합하지
또한, 1차 상관성 기반의 케리어 센싱 후 2차 케리어 센싱을 수행할 때 에너지 기반의 케리어 센싱을 수행함으로써 보다 빠르고 정확한 케리어 센싱이 가능하도록 설계했다. 실험 결과에 따르면 표준 대비 13 dB 이상 수신 감도가 향상되고, 최대 에너지 레벨도 7 dB 이상 향상되어, 표준 요구 사항 대비 20 dB 이상 수신기 동작 범위가 향상됨을 알 수 있었다. 앞으로 본 연구 결과를 실제 사물인터넷 응용 제품에 도입해 실제 응용 환경에서 발생할 수 있는 간섭에 의한 성능 영향을 분석하고 개선하는 방안을 검토할 계획이다.
표 1은 본 연구에서 제안하는 케리어 센싱 방법에 의한 수신 감도와 표준 문서의 요구사항을 비교한 표다. 표에서 보는 바와 같이 제안하는 케리어 센싱 방법에 의하면 표준대비 13 dB 이상 수신 감도가 향상되고, 최대 에너지 레벨도 7 dB 이상 향상되어, 표준 요구 사항 대비 20 dB 이상 수신기 동작 범위가 향상되는 것을 알 수 있다. 또한, 다중 케리어 센싱이 무선 네트워크 상황에 맞춰 활성화 및 비활성화되어 안정적인 서비스 품질 보장이 가능하다.

후속연구

앞으로 본 연구 결과를 실제 사물인터넷 응용 제품에 도입해 실제 응용 환경에서 발생할 수 있는 간섭에 의한 성능 영향을 분석하고 개선하는 방안을 검토할 계획이다. 그리고, 동적 무선 네트워크 환경에서 케리어 센싱 회로들의 적응형 동작 알고리즘을 연구할 계획이다.
실험 결과에 따르면 표준 대비 13 dB 이상 수신 감도가 향상되고, 최대 에너지 레벨도 7 dB 이상 향상되어, 표준 요구 사항 대비 20 dB 이상 수신기 동작 범위가 향상됨을 알 수 있었다. 앞으로 본 연구 결과를 실제 사물인터넷 응용 제품에 도입해 실제 응용 환경에서 발생할 수 있는 간섭에 의한 성능 영향을 분석하고 개선하는 방안을 검토할 계획이다. 그리고, 동적 무선 네트워크 환경에서 케리어 센싱 회로들의 적응형 동작 알고리즘을 연구할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	장거리 사물 인터넷을 위한 효과적인 케리어 센싱 기법을 사용하였을때 어떤 이점을 가지는가?	또한, 1차 상관성 기반의 케리어 센싱 후 2차 케리어 센싱을 수행할 때 에너지 기반의 케리어 센싱을 수행함으로써 보다 빠르고 정확한 케리어센싱이 가능하도록 설계했다. 실험 결과에 따르면 표준 대비 13 dB 이상 수신 감도가 향상되고, 최대 에너지 레벨도 7 dB 이상 향상되어, 표준 요구 사항 대비 20 dB 이상 수신기 동작 범위가 향상됨을 알 수 있었다. 앞으로 본 연구 결과를 실제 사물인터넷 응용 제품에 도입해 실제 응용 환경에서 발생할 수 있는 간섭에 의한 성능 영향을 분석하고 개선하는 방안을 검토할 계획이다.
	케리어 센싱은 어떤 기능을 제공하는가?	이더넷과 무선랜은 모두 CSMA (Carrier Sense Multiple Access) 방식을 사용하고 있으며, 다른 통신 장치가 채널을 사용하고 있는지 여부를 사전에 검사해 채널이 사용 중이면 일정 시간을 기다린 후 다시 전송을 시도하고 채널이 사용되고 있지 않으면 전송한다[3,4]. 이 때 케리어 센싱은 다른 통신 장치가 채널을 사용 중인지 여부를 판별하는 기능을 제공하며, 물리적 케리어 센싱과 가상 케리어 센싱으로 구분된다[5,6].
	무선 네트워크 환경에 장거리 사물인터넷 서비스를 가능하게 하려면 어떤 부분들을 고려해야 하는가?	이와 같이 무선 통신 네트워크 장치는 공용 자원인 무선 채널을 분산 네트워킹 방식으로 접근해 효율적으로 사용하기 위해 케리어 센싱 방식을 사용하고 있지만, 무선 네트워크 환경은 간섭과 노이즈 뿐만 아니라 많은 무선 단말 장치의 혼재로 인해 채널 점유 경쟁이 치열하다[10]. 이러한 무선 네트워크 환경에서 장거리 사물인터넷 서비스를 가능하게 하려면 수신감도, 신호 도달 거리, 서비스 품질의 관계를 고려해 시스템을 설계해야 한다[11,12].

참고문헌 (19)

T. Snyder, G. Byrd. (2017). Internet of Everything, Computer, 50(6), 8-9.
I. G. Lee, M. Kim. (2016). Interference-aware self-optimizing Wi-Fi for high-efficiency internet of things in dense networks, Computer Communications, 89(1), 60-74.
B. Yan, H. Gharavi. (2017). Receiver Sensitivity in CSMA Networks, IEEE 2006 International Symposium on a World of Wireless, Mobile and Multimedia Networks (WoWMoM).
R. Laufer, L. Kleinrock. (2016). The Capacity of wireless CSMA/CA networks, IEEE/ACM Transactions on Networking (TON), 24(3), 1518-1532.

상세보기
F. Y. Hung, I. Marsic. (2007). Effectiveness of Physical and Virtual Carrier Sensing in IEEE 802.11 Wireless Ad Hoc Networks, Wireless Communications and Networking Conference (WCNC).
C. Thorpe, L. Murphy. (2014). A Survey of Adaptive Carrier Sensing Mechanisms for IEEE 802.11 Wireless Networks, IEEE Communications Surveys & Tutorials, 16(3), 1266-1293.

상세보기
X. Yang, N. Vaidya. (2005). On physical carrier sensing in wireless ad hoc networks. 24th Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communciations (ICC) Societies.
M. Takai, J. Martin, R. Bagrodia, A. Ren. (2002). Directional virtual carrier sensing for directional antennas in mobile ad hoc networks. Proceeding of the 3rd ACM international symposium on Mobile ad hoc networking & computing (MobiHoc), 183-193.
J. Deng, B. Liang, P. K. Varshney. (2004). Tunning the carrier sensing range of IEEE 802.11 MAC, IEEE Global Telecommunications Conference (GLOBCOM).
B. Bellalta. (2016). IEEE 802.11ax: High-efficiency WLANS, IEEE Wireless Communications, 23(1), 38-46.

상세보기
M. S. Afaqui, G. V. Eduard, L. A. Elena . (2017). IEEE 802.11ax: Challenges and Requirements for Future High Efficiency WiFi, IEEE Wireless Communications, 24(3), 130-137.

상세보기
D. Deng, Y. P. Lin, X. Yang, J. Zhu, Y. B. Li, J. Luo, K. C. Chen. (2017). IEEE 802.11ax: Highly Efficient WLANs for Intelligent Information Infrastructure, IEEE Communications Magazine, 55(12), 52-29.

상세보기
C. D. Lee. (2017). An Adaptive Traffic Interference Control System for Wireless Home IoT services. Journal of Digital Convergence, 15(4), 259-266.
D. C. Son. (2016). A Study on Algorithm for Reducing Communication Error Rate in Special Network, Journal of Digital Convergence, 14(11), 325-331.
I. G. Lee, J. B. Son, S. K. Lee. (2009). Field Test and Experimental Characterization of 5GHz RF Transceiver for Coverage Extension. Wireless Communications and Networking Conference.
IEEE 802.11a Standard. (1999). Part 11: Wireless LAN, Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications: High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band, supplement to IEEE 802.11 Standard.
R. Bhardwaj, K. Chintalapudi, R. Ramjee. (2018). Skip-Correlation for Multi-Power Wireless Carrier Sensing, 14th USENIX Symposium on Networked Systems Design and Implementation (NSDI), 227-242..
J. Y. Su. (2018). Linking Algorithm between IoT devices for smart factory environment of SMEs, Journal of Convergence for Information Technology, 8(2), 233-238.
S. H. Lee, D. H. Shim, D. W. Lee. (2016). Actual Cases of Internet of Thing on Smart City Industry, Journal of Convergence for Information Technology, 6(4), 65-70.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증